APD Selection Guide - Si oder InGaAs

Die aktive Fläche einer Fotodiode hat Auswirkungen auf ihre Fähigkeit, Licht zu sammeln und zu verarbeiten. Bei der Auswahl einer APD für die Entfernungsmessung muss man immer ihre Abhängigkeit von der Kapazität des Bauelements und anderen Merkmalen, wie Dunkel- und Rauschstrom, berücksichtigen.

Im Allgemeinen bieten Silizium-APDs eine viel größere aktive Fläche, was die Gesamtempfindlichkeit erhöht und die Erfassung schwächerer Rücksignale vereinfacht. Dies ermöglicht eine höhere Messgenauigkeit, insbesondere bei einer größeren Reichweite, und ein größeres Sichtfeld (FoV – field of view). Die aktive Fläche erhöht jedoch auch die Kapazität, was wiederum das Rauschen in den elektrischen Verstärkungsschaltungen der ersten Stufe erhöht und die Reaktionszeit der APD verlangsamt. Größere Flächen führen auch zu größeren Leckströmen und wirken sich daher negativ auf das SNR (signal-noise-ratio / Signal-Rausch-Verhältnis) aus. Im Gegensatz dazu führen die typischerweise kleineren aktiven Flächen von InGaAs-APDs zu einer geringeren Kapazität, schnelleren Ansprechzeiten und höherer Bandbreite.

Daher eignen sich diese Photodioden besser für Anwendungen, die eine schnelle Erkennung und Messung von Laserimpulsen erfordern. Aber ihre viel geringere Fläche macht die Ausrichtung der Optik zur korrekten Fokussierung des Rücksignals komplexer.

Der Dunkelstrom in APDs bezieht sich auf den Stromfluss in Abwesenheit von einfallendem Licht. Er trägt zum allgemeinen Hintergrundrauschen bei, verringert den SNR der APD und wirkt sich auf ihre Empfindlichkeit und Leistung bei schwachem Licht aus.

Die Höhe des Dunkelstroms kann jedoch zwischen verschiedenen APD-Varianten und Herstellungsverfahren variieren. Daher ist es wichtig, die spezifischen Dunkelstrom-Spezifikationen der einzelnen APD-Modelle sowie die Anzahl der erwarteten empfangenen Photonen für die Anwendung und das gewünschte Leistungsniveau zu berücksichtigen.

Neben dem Dunkelstrom erzeugt das interne Avalanche-Phänomen selbst Rauschen, das vom Verstärkungsgrad und der Qualität der APD abhängt.

Typischerweise bieten Silizium-APDs eine geringere Rauschverstärkung und können daher im Vergleich zu InGaAs-APDs höhere nutzbare Verstärkungen erreichen. Angesichts der stärkeren solaren Hintergrundbeleuchtung und ihrer Verstärkung durch Silizium-APDs kann die Entfernungsmessung mit InGaAs oft immer noch größere Reichweiten erzielen.

Unter Kapazität versteht man die Fähigkeit eines Bauelements, elektrische Ladung zu speichern. Bei APDs ergibt sich die Kapazität aus der Struktur und dem Design des Bauelements, einschließlich der Dicke des Verarmungsbereichs und der damit verbundenen Sperrschichtkapazität. Die Kapazität einer APD wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, schnell auf Änderungen der einfallenden Lichtintensität zu reagieren, was für eine genaue Laserentfernungsmessung entscheidend ist.

Da es sich bei Silizium-APDs um ein indirektes Material handelt und daher viel dickere Übergänge erforderlich sind, weisen sie in der Regel eine geringere Übergangskapazität auf als InGaAs-APDs, die ein Material mit direkter Bandlücke sind und daher viel dünnere Schichten benötigen, um das Licht vollständig zu absorbieren, was schnellere Reaktionszeiten und geringere Signalverzerrungen ermöglicht. Dennoch muss die Wechselwirkung zwischen der aktiven Fläche und der Kapazität berücksichtigt, und beide Faktoren müssen ausgeglichen werden.

Die Gehäusedesigns für APDs sind sehr unterschiedlich und werden zumeist durch die Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmt. Die Optionen reichen von den klassischen Transistor-Outline-Gehäusen (TO) und oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) bis hin zu Detektoren mit einem Faseranschluss. Weiter Optionen sind Gehäuse mit Linsen zur Vergrößerung des Sichtfelds oder mit integrierten Durchlassfiltern, die auf bestimmte Anwendungen und Lichtquellen abgestimmt sind. Es ist daher schwierig, allgemeine Unterschiede zwischen der Silizium- und der InGaAs-Gehäusetechnologie festzustellen.